基于仿真與工況模擬的電池測試技術的研究及應用

朱永利，呂彥玲，魏向輝，劉 寶，翁浩宇

（長城汽車股份有限公司技術中心 河北汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

1 研究背景

在能源危機和節能減排的大環境下，發展以電動汽車為核心的新能源汽車在中國已經上升為國家戰略。電動汽車不僅是破解能源環境制約、實現可持續發展的重要途徑，也是催生新技術革命、帶動產業升級轉型、培育戰略性新興產業的重要切入點和突破口。

電動汽車的出現要早于燃油車，已經有100多年的歷史。然而，電動汽車之所以沒有發展起來，最大的制約因素就是電池。電池是一個電、化學和熱力學集成的系統，是一個多輸入、多輸出的非線性變化的系統，動態特性非常復雜。而電動汽車又分為純電動汽車和混合動力汽車，受使用工況、電池容量以及工作模式的影響，對電池的溫度、功率以及容量特性提出不同的設計要求。因此，在開發與整車相適宜的電池系統時，設計前期的測試工具和方法的選擇是關鍵。

2 基于工況模擬的動力電池測試研究

2.1 動力電池循環壽命的測試方法

目前動力電池的循環壽命測試方法一般是按照《QC／T743—2006電動道路車輛用鋰離子蓄電池》“6.2.11循環壽命的測試方法”進行試驗。其中功率型電池測試方法如圖1所示。該測試方法重點對電池的放電特性進行測試。在 《SAE J 1798—1997電動汽車電池模塊性能推薦規程》“6.6動態容量測試”中也規定了動力電池容量測試方法，如圖2所示。該方法除了對電池的放電特性進行測試外，還增加了對充電特性測試的內容。

以上測試方法通過對電池的功率、能量特性進行測試，可以對電池的基本性能有一個評價。由于測試的標準化，所以對于每一個電池來說都是公平的，適用于相關檢測機構。但是在使用過程中，隨著車輛的特性、功能和用途的不同，電池的應用特性也存在很大的差異。表1列出了不同種類電動車輛動力電池的使用條件。實際上，由于車型不同、所使用地區和用戶的不同，對電池的需求也各不相同，因此在產品開發中需要根據不同的產品制定不同的電池測試評價方法。

表1 不同種類電動車輛動力電池的使用條件

2.2 基于工況模擬的動力電池測試研究

長城汽車股份有限公司開發的騰翼V80HEV是一款具備外接充電功能的并聯式混合車，其結構原理如圖3所示。主要功能:①電量充足時由電機驅動車輛；②高速或低電量時以發動機為主驅動車輛（如果發動機功率富余，會帶動電機發電）；③加速或爬坡時電機起動力輔助功能；④制動能量回收功能。

長城騰翼V80整車主要技術參數如表2所示。在電量保持階段，車輛以發動機驅動為主，驅動電機采用扭矩跟隨的動力輔助模式。在起動和停止比較頻繁，尤其在城市工況下，通過對該車在電量保持階段進行的NEDC （new European driving cycle， 新歐洲運轉循環）工況試驗，用采樣頻率500kHz功率分析儀對電池組的充放電電壓、電流進行采集，得到如圖4所示的數據曲線。分析可知，在城市工況下電池的峰值充放電電流小于郊區工況，但是充放電頻次要高得多。由于電池的充電電阻要遠大于放電電阻，因此電池的使用工況更加惡劣，可以作為電池包壽命和性能測試的一個典型工況應用。

表2 長城騰翼V80整車技術參數

我公司的電池測試設備采用的是德國迪卡龍公司生產的BTS300-600測試系統 （以下簡稱BTS），其最小充電、放電設計時長為10 ms。我們對圖4所示數據的采樣頻率進行了重新設置，設置為50 Hz,即時長20 ms，并截取一個歐洲城市工況 （ECE）（如圖4所示的框選部分），得到如圖5所示的數據曲線。經對比分析 （圖4和圖5），發現相應數據沒有明顯的差別。

我們將圖5所示數據由EXCEL格式轉變為BTS所能接受的TXT格式，如圖6所示，然后BTS通過執行圖6所示的數據來對電池進行工況模擬測試，測試方法見圖7，測試結果見表3。

通過表3可以發現，電池的溫差按照 “QC／T743—20066.2.11” 試驗最大為4.2 ℃， 按照模擬工況試驗溫差最大為5.6℃，出現了差異。同時還出現了3.2℃的溫升。證明了基于工況模擬試驗的嚴酷性和真實性。

表3 測試參數對比

當然以上測試是基于試驗室的常規溫度，在實際應用過程中的工況比這要復雜得多，電池的性能指標可能會進一步劣化，因此在后續的試驗過程中，還需要再增加一些基于環境的條件，以使對電池的工況模擬更接近于實際。

3 電池模型搭建及應用

在驅動電機、混合動力耦合系統開發的試驗、測試和標定過程中，需要和動力試驗臺架、硬件在環設備 （hardware in loop，簡稱HIL）、電源系統的聯合工作，因此對于每臺設備工作狀態的精確控制是前提。國內大部分企業測試電源一般采用恒壓源的方式，但是實際的電池系統是動態變化的，電池的內阻隨著溫度和荷電狀態 （state of charger，簡稱SOC）的變化而變化，輸出電壓也會發生相應的變化，因此導致電機的工作特性也會發生變化；在混合動力系統中，電池的SOC的估算精度決定著車輛的工作模式，進一步決定了整車的節能效果。因此，采用恒壓源方式進行的模擬測試和仿真，與實際存在很大的差異，對最終的產品標定數據也存在很大的影響。有的單位采用電池包進行測試，這樣可以節約設備成本，能進行基于真實電池的電池測試，但是不同的車輛對電池的要求不一樣，這樣電池適用性就成了問題。即使采用的電池與整車實際應用的電池完全相符，但是隨著不斷的使用，電池的電量、功率及內阻等特性也會發生一些變化，影響測試的真實性、一致性和重復性。

模擬仿真是近些年發展起來的新技術，在產品開發的前期通過基于整車和零部件實際應用環境的仿真，可以對技術參數的達成情況以及可能出現的失效進行模擬驗證。據有關數據顯示，前期仿真的準確率已經超過了90%。在電池開發過程中，電池數學模型的建立是必要的，通過基于快速控制原型 （指的是通過對一個功能強大的設備的控制，實現某種特殊功能的設備）的應用，可以對前期定義的性能指標進行驗證。同時，基于電池模型的控制原型的應用，可以為諸如驅動系統的測試提供一個真實而標準的電源設備，實現試驗的重復性和特征的再現性。

針對以上問題，我公司開發了基于simulink（一種仿真和模型設計的工具）軟件搭建的電池模型，如圖8所示。通過建立電池的Rint（內阻）、Volt（輸出電壓）、Voc（開路電壓）和SOC的仿真模型，在充放電過程中，根據不同SOC、Temp（溫度）條件下的Voc，Rint和變量I（電流），計算出輸出電壓V，然后將模型下載到AUTOBOX（快速控制原型）中，通過CAN總線控制BTS上位機軟件，實現工況模擬功能。圖9和圖10是對30 AH／320 V的鋰離子電池模型的運行曲線。通過對曲線分析可知，模型對于電池的輸出電流和電壓的響應時間能夠滿足試驗的要求，放電曲線和真實電池接近。

4 結束語

1）基于電池數學模型的建立和試驗可以驗證參數定義的科學性和可行性，并在動力電池開發出來之前，在電池測試設備的配合下完成對其它車輛設備的測試和標定工作。

2）通過基于實際工況的動力電池測試，可以對電池包參數的達成情況進行驗證，并及時發現在產品應用過程中可能出現的問題。

3）電池仿真與工況測試研究工作的開展，能夠起到提升開發效率、縮短開發周期和降低開發成本的目的。